Estabilidad de átomos e iones

En la naturaleza apenas se encuentran átomos aislados: salvo los gases nobles, los elementos se presentan formando compuestos o metales.

1. a) Explica qué significa que un átomo sea «estable» y qué ganan los átomos al enlazarse unos con otros.
2. b) ¿Qué ocurre con la energía del conjunto cuando los átomos forman un enlace? ¿Aumenta o disminuye?

La regla del octeto guía la química de la mayoría de los elementos.

1. a) Enúnciala con tus palabras.
2. b) ¿A qué electrones del átomo se refiere?
3. c) ¿Qué configuración alcanzan los átomos cuando la cumplen? Pon un ejemplo de elemento que ya la posea de forma natural.

El neón ($Z = 10$) se usa en los letreros luminosos porque es un gas completamente inerte: no reacciona con nada.

1. a) Escribe su configuración electrónica.
2. b) ¿Cuántos electrones tiene en su última capa?
3. c) Explica, a partir de esa configuración, por qué los gases nobles no forman compuestos en condiciones normales.

Cuando el sodio se combina con el cloro, cada átomo de sodio cede un electrón y se convierte en el ion $\text{Na}^+$. El esquema representa la cesión del electrón.

1. a) Define qué es un catión y qué es un anión.
2. b) Indica el signo de la carga de cada tipo de ion.
3. c) ¿Es el ion $\text{Na}^+$ un catión o un anión? Razona la respuesta.

El magnesio ($Z = 12$) reacciona perdiendo electrones y formando el ion $\text{Mg}^{2+}$.

1. a) ¿Cuántos electrones pierde cada átomo de magnesio?
2. b) ¿Cuántos electrones tiene en total el ion formado?
3. c) Escribe el proceso como una media ecuación: $\text{Mg} \rightarrow \text{Mg}^{2+} + \ldots$ (completa el número de electrones que se liberan).

El cloro ($Z = 17$) del agua de las piscinas actúa como desinfectante y, al reaccionar, cada átomo gana un electrón formando el ion $\text{Cl}^{-}$.

1. a) ¿Cuántos electrones tiene el ion cloruro?
2. b) ¿Es un catión o un anión?
3. c) ¿Cuál es su carga eléctrica neta? Justifícala contando protones y electrones.

Una partícula contiene $12$ protones y $10$ electrones.

1. a) Calcula su carga neta.
2. b) ¿Es un átomo neutro, un catión o un anión?
3. c) Identifica el elemento y escribe el símbolo del ion.

El cloro ($Z = 17$) y el argón ($Z = 18$) son vecinos en la tabla periódica.

1. a) Escribe la configuración electrónica del átomo de cloro y la del ion $\text{Cl}^{-}$.
2. b) Compara la configuración del ion cloruro con la del átomo de argón: ¿qué observas?
3. c) Explica, usando ese resultado, por qué el cloro tiende a ganar un electrón cuando reacciona.

El aluminio ($Z = 13$) de las latas de refresco y el azufre ($Z = 16$) que aparece en las cerillas son elementos muy distintos, pero ambos forman iones estables.

1. a) Escribe la configuración electrónica de cada átomo.
2. b) Predice el ion más estable que formará cada uno aplicando la regla del octeto.
3. c) Escribe la configuración de cada ion y nombra el gas noble cuya configuración reproduce.

Para abreviar las configuraciones se usa la notación del gas noble: la del potasio ($Z = 19$) se escribe $[\text{Ar}]\ 4s^1$.

1. a) Escribe su configuración electrónica completa, sin abreviar.
2. b) ¿Cuántos electrones de valencia tiene el potasio?
3. c) ¿Qué ion formará con más facilidad? Escribe su configuración y explica por qué es especialmente estable.

Estas especies parecen muy distintas: $\text{N}^{3-}$, $\text{O}^{2-}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Na}^{+}$, $\text{Mg}^{2+}$ y $\text{Al}^{3+}$. Datos: $Z(\text{N}) = 7$, $Z(\text{O}) = 8$, $Z(\text{F}) = 9$, $Z(\text{Na}) = 11$, $Z(\text{Mg}) = 12$, $Z(\text{Al}) = 13$.

1. a) Calcula el número de electrones de cada especie.
2. b) ¿Qué tienen en común todas ellas?
3. c) Explica qué significa que sean isoelectrónicas e indica con qué gas noble lo son.

Al convertirse en ion, un átomo cambia de tamaño: el radio del átomo de sodio es $186\ \text{pm}$ y el del ion $\text{Na}^{+}$, $102\ \text{pm}$; el del átomo de cloro es $99\ \text{pm}$ y el del ion $\text{Cl}^{-}$, $181\ \text{pm}$. Los cuatro tamaños se comparan a escala en la figura.

1. a) Escribe las configuraciones electrónicas de los dos átomos y de los dos iones.
2. b) Explica por qué el catión es mucho más pequeño que el átomo del que procede.
3. c) Explica por qué el anión es mucho más grande que su átomo.

Las especies $\text{O}^{2-}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Na}^{+}$ y $\text{Mg}^{2+}$ tienen todas $10$ electrones, pero sus radios son $140\ \text{pm}$, $133\ \text{pm}$, $102\ \text{pm}$ y $72\ \text{pm}$, respectivamente. La figura compara los cuatro radios a escala.

1. a) Explica por qué, a igual número de electrones, el tamaño de la especie depende del número de protones del núcleo.
2. b) Ordena las cuatro especies de mayor a menor radio y relaciona ese orden con su número atómico.
3. c) Sin más datos, predice cuál tendrá mayor radio entre el ion $\text{N}^{3-}$ y el ion $\text{Al}^{3+}$, y justifica tu predicción.

Estas son las energías necesarias para arrancar electrones sucesivos a un átomo de magnesio ($Z = 12$): $E_1 = 738\ \text{kJ/mol}$, $E_2 = 1451\ \text{kJ/mol}$ y $E_3 = 7733\ \text{kJ/mol}$. La figura representa las tres energías.

1. a) Localiza entre qué ionizaciones se produce el gran salto y justifícalo usando la configuración electrónica del magnesio.
2. b) Explica por qué el magnesio forma el ion $\text{Mg}^{2+}$ y nunca el $\text{Mg}^{3+}$ en sus compuestos.
3. c) Predice, razonándolo a partir de sus configuraciones, entre qué ionizaciones aparecerá el gran salto en el sodio ($Z = 11$) y en el aluminio ($Z = 13$).

Arrancar un electrón a un átomo de neón cuesta $2081\ \text{kJ/mol}$, pero arrancárselo al ion $\text{Na}^{+}$, que tiene exactamente la misma configuración electrónica, cuesta $4562\ \text{kJ/mol}$. En cambio, al átomo de sodio neutro le cuesta solo $496\ \text{kJ/mol}$ perder su electrón $3s$. La figura compara las tres energías de ionización.

1. a) Explica por qué cuesta más ionizar al $\text{Na}^{+}$ que al $\text{Ne}$ si ambos tienen los mismos electrones.
2. b) Usando los datos, razona por qué el sodio forma con facilidad el ion $\text{Na}^{+}$ pero jamás aparece como $\text{Na}^{2+}$ en los compuestos químicos.
3. c) Conecta tus respuestas con la idea de estabilidad de la configuración de gas noble.